衰老過程導致器官功能退化，喪失再生修復的能力。一個可能的原因是細胞表觀遺傳信息的丟失，例如DNA甲基化被擾亂，導致基因無法被正確地讀取和翻譯。衰老的細胞是否還能恢復年輕的表觀遺傳信息，進而恢復器官功能和再生能力？
2020年12月3日，哈佛大學醫學院David Sinclair團隊的呂垣澄博士（一作）與何志剛及Bruce Ksander等團隊合作在Nature上發表了題為Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision的封面文章。該研究利用基因治療誘導神經節細胞重編程，恢復年輕的表觀遺傳信息，從而使得視神經能在損傷後再生，並逆轉青光眼和衰老造成的視力下降。
克服重編程技術的體內應用瓶頸
2006年日本科學家山中伸彌團隊發現通過Oct4, Sox2, Klf4 和 c-Myc 四個轉錄因子，可以誘導成年細胞在體外重編程，轉化為誘導性多能幹細胞也就是iPS細胞（induced pluripotent stem cells），開啟了幹細胞領域的新篇章。山中伸彌也因此獲得了2012年諾貝爾生理學或醫學獎。
但是這一改變細胞身份的重編程過程一旦應用到體內，就會誘發畸胎瘤。國際上多個團隊都沒能找到在體內安全控制重編程（in vivo reprogramming）的方法。
呂垣澄博士通過大量的摸索，發現四個因子中的c-Myc是造成畸胎瘤的主要原因，而只使用Oct4, Sox2, Klf4（OSK）這三個轉錄因子，不但仍可以恢復細胞年輕的信息，還能巧妙規避造成畸胎瘤的可能。通過腺相關病毒載體遞送這三個基因到肝臟或視網膜後，研究小組進行了長達一年半的觀察，確實沒有發現任何安全隱患。
圖一：視網膜鋪片上的神經節細胞（藍色）及過表達OSK的神經節細胞核（綠色）。
重編程表觀遺傳信息再生視神經
中樞神經系統是機體最先衰老的器官。出生後幾天，中樞神經系統，包括脊髓和視神經，就快速喪失了損傷後再生的能力。因此，類似的損傷會造成成年哺乳動物的截癱或失明。
呂垣澄通過與脊髓損傷神經再生領域的專家，波士頓兒童醫院何志剛教授的團隊合作，對OSK誘導的重編程能否逆轉視神經節細胞的年齡和恢復神經再生的能力進行了測試。結果顯示，視神經損傷後誘導重編程，不僅能成倍提高成年小鼠視神經細胞存活的概率，而且可將視神經再生的能力提高五倍以上。類似的效果在年老小鼠中也能達到，這在之前的研究中從未實現過。
圖二：年老小鼠的視神經損傷後（藍色處），神經軸突於損傷處斷裂並退化，正常狀況下無法再生（上圖），而被OSK表達逆轉了年齡的視神經節細胞則能夠重新再生軸突（下圖）。
對視神經節細胞的DNA甲基化分析，揭示了神經損傷事實上加速了表觀遺傳水平的衰老。而OSK誘導的重編程則能通過DNA去甲基化酶Tet1/Tet2，逆轉損傷對DNA甲基化的影響。
此外，研究團隊中的田驍對人類神經細胞進行了體外測試，發現OSK重編程同樣能夠逆轉化療藥物對神經細胞的傷害，誘導人類神經細胞突觸的再生。
基因治療恢復青光眼和衰老造成的視力下降
青光眼是一類由於視神經受損而造成視力喪失的眼疾，為全球第一位的不可逆致盲性眼病。通過與麻省眼耳醫院的Bruce Ksander教授夫婦合作，呂垣澄等接著對重編程治療能否應用於青光眼疾病進行了探索。令人激動的是，在青光眼的小鼠模型中，重編程基因治療不僅提高了受損神經細胞的電信號水平，而且在視動反應中，受過治療的青光眼小鼠也部分恢復了受損的視力。
圖三：經過OSK表達治療的青光眼與治療前相比（灰色線），視神經細胞的電信號水平得到恢復（藍色線）。
對視力恢復的療效也在年老的小鼠中得到體現。通過比較神經節細胞的轉錄組與DNA甲基化水平，OSK誘導的重編程恢復了年輕化的表觀遺傳信息，下調了會誘發眼疾的基因水平，而上調了感知相關的基因水平。這一過程同樣需要DNA去甲基化酶Tet1/Tet2的參與。
圖四：衰老的視神經節細胞在經過OSK基因治療後，衰老相關基因的轉錄被恢復到年輕的水平。
這些研究結果證實了David Sinclair團隊長期以來的假說，即細胞表觀遺傳信息的丟失是造成細胞衰老的主要原因。
這一技術突破也從概念上證明了，通過安全可控的體內重編程，衰老或受損的細胞能夠恢復其年輕的表觀遺傳信息與功能。該嶄新的策略將對促進人類器官的損傷修復，以及逆轉青光眼等衰老相關疾病的治療領域帶來變革。
David Sinclair （左）與呂垣澄（右）
本文通訊作者為David Sinclair, 哈佛醫學院終身教授，全球抗衰老研究的領軍人物，美國時代雜誌"全球最具影響力的100人", 紐約時報暢銷書《可不可以不變老》作者。課題組抗衰老研究成果發表論文300餘篇，其中Nature, Science, Cell主刊20餘篇。
本文第一作者為呂垣澄(Yuancheng Lu)，哈佛大學博士，復旦大學學士。研究成果發表於Nature，Cell等雜誌。
本文資深作者之一何志剛，為哈佛醫學院及附屬波士頓兒童醫院終身教授，長期致力於研發中樞神經系統損傷後的再生與修復手段，是領域內首次實現視神經軸突再生工作的奠基人。課題組相關研究工作大量發表在Nature，Cell，Science，Neuron等雜誌上。
值得一提的是，同期Nature上，史丹福大學醫學院Andrew D. Huberman發表了News&Views文章Sight restored by turning back the epigenetic clock對該文進行了推介，提到該發現不僅在視覺領域，還在大腦神經元等研究領域激發了人們對表觀重編程的極大興趣，同時該工作也宣告了「修復衰老或受損大腦」時代的來臨。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2975-4